鄧哲

摘要：基于關(guān)系模型和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建可共享、可擴(kuò)展的的滾動軸承資源庫系統(tǒng)。在需求分析的基礎(chǔ)上，對滾動軸承資源庫進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)及物理設(shè)計(jì)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分別開發(fā)滾動軸承資源庫的基本信息數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和非標(biāo)數(shù)據(jù)庫。研究基于JDBC的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，開發(fā)滾動軸承資源庫的查詢和調(diào)用模塊。以圓柱滾子軸承的外形尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算作為應(yīng)用背景，實(shí)現(xiàn)在matlab開發(fā)環(huán)境中對滾動軸承資源庫的調(diào)用，縮短了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。

Abstract： Based on the relational model and relational database technology， a shared and extensible rolling bearing resource database system is designed and constructed. Based on requirement analysis， the concept design， logic design and physical design of rolling bearing resource database are carried out. The basic information database， standard database and non-standard database of rolling bearing resource database are developed by MySQL database management system. The database access technology based on JDBC is studied， and the query and call module of rolling bearing resource database is developed. Taking the design and calculation of cylindrical roller bearing's shape and dimension parameters as the application background， the rolling bearing resource database is transferred in the MatLab development environment， which shortens the design cycle of mechanical products.

關(guān)鍵詞：滾動軸承;資源庫;關(guān)系模型;查詢技術(shù);調(diào)用技術(shù)

Key words： rolling bearing;resource database;relational model;query technology;call technology

0 ?引言

滾動軸承是機(jī)械設(shè)備中最基礎(chǔ)的零部件之一。滾動軸承的設(shè)計(jì)主要包括選型設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)、強(qiáng)度及壽命校核、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，需要使用到大量的公式和圖表，傳統(tǒng)的軸承設(shè)計(jì)方法由設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)查閱資料，增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，容易出錯且設(shè)計(jì)效率低下。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)將設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序，降低了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率。但是對于程序開發(fā)者仍然需要大量的數(shù)據(jù)輸入工作，且不同的開發(fā)者之間難以實(shí)現(xiàn)資源的共享，標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)資源未被有效利用。因此有必要構(gòu)建可共享、可擴(kuò)展的滾動軸承資源庫，以推動滾動軸承的智能化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的一些軸承數(shù)據(jù)庫針對特定的設(shè)計(jì)任務(wù)存儲所需的數(shù)據(jù)，張闐等[1]利用Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)了四列圓柱滾子軸承數(shù)據(jù)庫，陳波等[2]設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于設(shè)備故障診斷的滾動軸承數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。一些軸承資源庫存儲了來自于不同廠家的軸承參數(shù)，閆大偉等[3]開發(fā)了基于三維的標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)，對企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件等進(jìn)行管理。馬嵩華等[4]建立了基于Web的跨平臺開放式零件庫系統(tǒng)。這些軸承資源庫為機(jī)械設(shè)計(jì)的自動化、智能化設(shè)計(jì)提供了新思路，提高了設(shè)計(jì)效率，但對于不斷變化的設(shè)計(jì)任務(wù)和應(yīng)用場景難以實(shí)現(xiàn)自由擴(kuò)展，并且只能存儲現(xiàn)有的滾動軸承產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，無法針對具體的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)。

本文針對以上問題，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)[5-6]研究滾動軸承資源庫的系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)存儲、查詢與調(diào)用技術(shù)，并以圓柱滾子軸承為例，實(shí)現(xiàn)基于資源庫的滾動軸承智能設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的滾動軸承資源庫可以在現(xiàn)有框架的基礎(chǔ)上擴(kuò)展至其他標(biāo)準(zhǔn)件及非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)。通過應(yīng)用該資源庫，可以管理國內(nèi)外及行業(yè)多種標(biāo)準(zhǔn)，幫助用戶更加方便快捷地進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 ?滾動軸承資源庫的構(gòu)建

1.1 滾動軸承資源庫需求分析

滾動軸承的設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：軸承負(fù)載計(jì)算、軸承選型、軸承尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算、軸承校核計(jì)算、軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文建立的滾動軸承資源庫主要存儲軸承設(shè)計(jì)中涉及到的全部標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.1.1 信息要求

資源庫中存儲的信息包括軸承、標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)、軸承與標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)聯(lián)、軸承與非標(biāo)之間關(guān)聯(lián)的基本信息，以及標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)的具體的參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.1.2 處理要求

資源庫的處理包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)的增刪改查等操作、數(shù)據(jù)的調(diào)用、資源庫的備份與恢復(fù)、以及用戶管理等。具體處理要求如下：

①導(dǎo)入：被授權(quán)的用戶可以通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式后一鍵導(dǎo)入到資源庫中，以擴(kuò)展資源庫的信息。

②添加、刪除、修改：標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)的參數(shù)數(shù)據(jù)通常不需要頻繁更新，由開發(fā)者或數(shù)據(jù)庫管理員一次性導(dǎo)入后僅允許查詢操作?；拘畔㈦S著設(shè)計(jì)任務(wù)的變化而不斷更新，因此需要頻繁的添加、刪除、修改操作。

③查詢：用戶通過軸承名稱、軸承類型代號、標(biāo)準(zhǔn)號、標(biāo)準(zhǔn)名稱、表號、表名、標(biāo)準(zhǔn)類型等信息查詢數(shù)據(jù)。

④調(diào)用：開發(fā)者可以在MATLAB程序中編寫代碼直接調(diào)用資源庫中的數(shù)據(jù)。

⑤資源庫備份與恢復(fù)：定時備份資源庫中的文件，以防止發(fā)生意外停機(jī)或數(shù)據(jù)丟失造成資源庫的損失，保障資源庫的安全。當(dāng)資源庫發(fā)生故障時，可以利用備份好的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源庫恢復(fù)。

⑥用戶管理：用戶分為系統(tǒng)管理員、數(shù)據(jù)庫管理員、開發(fā)者和普通用戶，系統(tǒng)設(shè)置一個高級管理員，高級管理員能夠執(zhí)行資源庫的全部操作，并可以添加用戶、刪除用戶、并對其他用戶進(jìn)行授權(quán)，對于不同的用戶可以授予不同級別的權(quán)限。用戶經(jīng)高級管理員授權(quán)后，登錄后擁有操作資源庫的權(quán)限。不同用戶的權(quán)限如表1所示。

1.1.3 安全性與完整性要求

使用或操作資源庫需要輸入有效的用戶名和密碼，資源庫系統(tǒng)針對不同用戶的不同權(quán)限進(jìn)行身份識別，避免用戶對資源庫的誤操作，以保障資源庫的數(shù)據(jù)安全。

1.2 滾動軸承資源庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺的資源庫的建立過程需要應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。本文采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)的關(guān)系模型構(gòu)建資源庫系統(tǒng)。

1.2.1 概念設(shè)計(jì)

根據(jù)滾動軸承資源庫的信息要求，構(gòu)建滾動軸承資源庫的概念模型，利用E-R圖（實(shí)體-聯(lián)系圖）描述軸承、標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)等實(shí)體類型及其屬性、以及實(shí)體之間的聯(lián)系，其中，用矩形框表示實(shí)體，用橢圓圖框表示實(shí)體的屬性，用菱形框表示實(shí)體之間的聯(lián)系，實(shí)體和聯(lián)系之間用實(shí)線連接，并標(biāo)注約束類型。滾動軸承資源庫的E-R模型如圖1所示。

1.2.2 邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示的滾動軸承資源庫E-R圖，設(shè)計(jì)滾動軸承資源庫的關(guān)系模型，其中，基本信息表滿足3NF，參數(shù)數(shù)據(jù)表滿足1NF。資源庫的關(guān)系模型：

①軸承基本信息表：類、子類、軸承名稱、軸承類型代號（主鍵）、引用的標(biāo)準(zhǔn)代號、描述;

②標(biāo)準(zhǔn)基本信息表：標(biāo)準(zhǔn)號（主鍵）、表號（主鍵）、表名、標(biāo)準(zhǔn)類型、描述;

③標(biāo)準(zhǔn)名稱基本信息表：標(biāo)準(zhǔn)號（主鍵）、標(biāo)準(zhǔn)名稱、描述;

④軸承-標(biāo)準(zhǔn)基本信息表：軸承類型代號（外鍵）、標(biāo)準(zhǔn)號（外鍵）、表號（外鍵）;

⑤非標(biāo)基本信息表：表號（主鍵）、表名、類型、描述;

⑥軸承-非標(biāo)基本信息表：軸承類型代號（主鍵）、表號（主鍵）;

⑦標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)表：標(biāo)準(zhǔn)中具體的參數(shù)數(shù)據(jù)表，按標(biāo)準(zhǔn)號分布存儲于多個獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的各字段名為標(biāo)準(zhǔn)表格中的各參數(shù)名;

⑧非標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)表：非標(biāo)中具體的參數(shù)數(shù)據(jù)表，按軸承類型代號分布存儲于多個獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的各字段名為非標(biāo)表格中的各參數(shù)名。

滾動軸承的類型按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。滾動軸承間的邏輯關(guān)系為多層樹狀結(jié)構(gòu)，因此本資源庫系統(tǒng)采用簡化后的三層樹狀結(jié)構(gòu)，滾動軸承的層次分類（部分）如圖2所示。

1.2.3 物理設(shè)計(jì)

資源庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指的是數(shù)據(jù)文件在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的組織形式和存儲方式。本文構(gòu)建的資源庫包含軸承設(shè)計(jì)中具體使用到的參數(shù)數(shù)據(jù)表和存儲軸承、標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)的基本信息表?；拘畔⒈淼淖侄伍g存在緊密的聯(lián)系，且基本信息需經(jīng)常性更新操作，因此集中存儲于同一個數(shù)據(jù)庫中;由于參數(shù)數(shù)據(jù)表的數(shù)量巨大，字段之間不存在緊密關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)經(jīng)一次性導(dǎo)入后無需進(jìn)行添加、刪除、修改操作，且一次計(jì)算通常只使用其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此將參數(shù)數(shù)據(jù)表按照標(biāo)準(zhǔn)、軸承類型等分布存放于多個數(shù)據(jù)庫中，同時在基本信息數(shù)據(jù)庫中存儲參數(shù)數(shù)據(jù)庫的索引信息。

基本信息數(shù)據(jù)庫以標(biāo)準(zhǔn)基本信息表為例，數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)如表2所示。參數(shù)數(shù)據(jù)庫以圓柱滾子軸承外形尺寸標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表為例，參數(shù)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)如表3所示。

1.3 滾動軸承資源庫的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上對滾動軸承資源庫的需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果，利用MySQL將基本信息數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，構(gòu)建滾動軸承資源庫。

1.3.1 參數(shù)數(shù)據(jù)表的導(dǎo)入

資源庫中的數(shù)據(jù)主要來源于標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)，通常為PDF文檔格式，本文利用圖片文字識別軟件將PDF文檔中的數(shù)據(jù)表格識別并轉(zhuǎn)換為EXCEL文檔，再利用數(shù)據(jù)庫管理工具將EXCEL文檔中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，并導(dǎo)出為sql數(shù)據(jù)庫文件。具體資源庫的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出流程如圖3所示。

標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)數(shù)據(jù)參數(shù)表格在通常情況下不會有改動，因此在一次性導(dǎo)入后，不再執(zhí)行查詢以外的其他操作?；拘畔⒈碇械挠涗涬S著后期標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)數(shù)據(jù)表格的錄入而不斷更新，當(dāng)資源庫導(dǎo)入新的參數(shù)數(shù)據(jù)表時，同步更新基本信息表中的基本信息及索引信息。

1.3.2 資源庫實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上資源庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，采用結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL。數(shù)據(jù)庫（表）名使用小寫英文字母和下劃線組成，備份數(shù)據(jù)庫（表）名使用正式庫（表）名加上備份時間組成。字段名使用英文字母（大小寫不敏感）和下劃線組成，關(guān)聯(lián)字段使用統(tǒng)一名稱。字段類型包括整型、浮點(diǎn)型、字符型、時間戳等，根據(jù)存儲數(shù)據(jù)盡量使用少的存儲空間來存儲一個字段的數(shù)據(jù)。

2 ?滾動軸承資源庫查詢與調(diào)用技術(shù)

資源庫管理包括：用戶管理、資源庫備份與恢復(fù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、資源庫操作（增、刪、改）、資源庫的使用（查詢、調(diào)用）。其中面向開發(fā)者的資源庫查詢技術(shù)是滾動軸承資源庫系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括軸承基本信息和參數(shù)數(shù)據(jù)表格的查詢、在軸承設(shè)計(jì)程序中實(shí)現(xiàn)對參數(shù)數(shù)據(jù)表格的調(diào)用。資源庫的使用流程如圖4所示。

2.1 滾動軸承資源庫查詢

滾動軸承資源庫的查詢分為基本信息查詢和參數(shù)數(shù)據(jù)表查詢。

為實(shí)現(xiàn)不同開發(fā)者之間的資源共享，需要在基本信息數(shù)據(jù)庫中登記各參數(shù)數(shù)據(jù)表的基本信息。為使開發(fā)者能夠在不斷擴(kuò)展的海量數(shù)字資源中迅速找到設(shè)計(jì)所需的參數(shù)數(shù)據(jù)表，開發(fā)滾動軸承資源庫的檢索模塊，支持對滾動軸承資源庫的基本信息數(shù)據(jù)庫的精確檢索、條件檢索和模糊檢索。精確檢索指的是輸入精確檢索條件，返回檢索結(jié)果，需保證檢索條件的準(zhǔn)確性。條件檢索指的是輸入部分檢索條件，返回多條候檢索結(jié)果，若檢索條件輸入有誤可能會造成檢索結(jié)果為空。模糊檢索指的是輸入模糊檢索條件，檢索條件可全部或部分匹配，返回多條檢索結(jié)果，由用戶手動選擇。

參數(shù)數(shù)據(jù)表是軸承設(shè)計(jì)中使用到的具體數(shù)據(jù)表，由用戶通過數(shù)據(jù)庫名、表名、查詢字段、條件進(jìn)行查詢。其中查詢字段可以是指定的一個或多個字段，也可以是全部字段，查詢條件包含比較運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、模糊查詢、范圍查詢、空判斷等，適用于多種不同表格結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型的查詢。

2.2 滾動軸承資源庫調(diào)用

滾動軸承資源庫的調(diào)用需要在Matlab開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對MySQL數(shù)據(jù)庫的訪問及數(shù)據(jù)讀取。JDBC是Java與數(shù)據(jù)庫的接口規(guī)范[7]，與Matlab的兼容性好，可實(shí)現(xiàn)跨平臺的數(shù)據(jù)庫快速訪問。因此本文通過JDBC實(shí)現(xiàn)Matlab程序與滾動軸承資源庫之間的交互功能。

實(shí)現(xiàn)滾動軸承資源庫調(diào)用的步驟如下：

①在Matlab開發(fā)環(huán)境中加載JDBC驅(qū)動;

②連接并訪問MySQL數(shù)據(jù)庫，連接代碼：conn = database（dbname，username，password，'com.mysql.jdbc.Driver'，['jdbc：mysql：//localhost：3306/'，dbname]）;

③資源庫的調(diào)用，采用SQL語句，調(diào)用程序代碼模板：SELECT select_list FROM tablename WHERE conditions，其中select_list表示查詢指定的列，可查詢所有字段或查詢指定字段，tablename表示查詢行所在的表，conditions表示指定返回行的查詢條件，包括比較運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、模糊查詢、范圍查詢、空判斷等。

3 ?滾動軸承資源庫的應(yīng)用

滾動軸承資源庫為滾動軸承的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)所需的數(shù)字資源，以基于matlab開發(fā)環(huán)境的圓柱滾子軸承的設(shè)計(jì)為例，圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)內(nèi)容包括基本參數(shù)設(shè)計(jì)、滾子尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)、保持架尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)、內(nèi)外圈尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)，輸入?yún)?shù)為軸承型號、工況載荷，輸出參數(shù)為軸承滾子、保持架、內(nèi)外圈的尺寸參數(shù)。

在圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)主程序中，根據(jù)輸入的軸承型號，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的圓柱滾子軸承外形尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)表中查詢并調(diào)用圓柱滾子軸承的基本尺寸參數(shù)。在滾子設(shè)計(jì)子程序、保持架設(shè)計(jì)子程序、內(nèi)外圈設(shè)計(jì)子程序中，根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算得到軸承的詳細(xì)尺寸參數(shù)，在各程序執(zhí)行過程中，根據(jù)已知參數(shù)數(shù)據(jù)分別調(diào)用非標(biāo)數(shù)據(jù)庫中的滾子端及圓窩深度表等參數(shù)數(shù)據(jù)表，獲取相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)。各程序通過資源庫調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)對資源庫中數(shù)據(jù)的調(diào)用。

圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)的流程、設(shè)計(jì)中使用資源庫中的參數(shù)數(shù)據(jù)表及輸出參數(shù)如圖5所示。

設(shè)計(jì)軸承型號為NU217E圓柱滾子軸承。調(diào)用的參數(shù)數(shù)據(jù)通過執(zhí)行資源庫調(diào)用程序在資源庫中獲取，可調(diào)參數(shù)由用戶自定義，其中，取值各系數(shù)的值，取KP=0.01，KD=0.26，KL=1.1，KS=0.11，取最小裝配倒角rsmin=0.3，內(nèi)圈裝配倒角r1=0.3，外圈裝配倒角r2=0.3。程序運(yùn)行結(jié)果的部分輸出參數(shù)如表4所示。

4 ?結(jié)論

在圓柱滾子軸承外形尺寸設(shè)計(jì)程序的開發(fā)過程中，將需要手動查詢或手動輸入標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)的部分以調(diào)用資源庫的方式替代，程序開發(fā)人員僅需要利用開發(fā)好的調(diào)用程序，輸入調(diào)用資源庫的SQL語句，即可實(shí)現(xiàn)在matlab開發(fā)環(huán)境中對資源庫中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，大大縮短了程序的開發(fā)周期。

本文設(shè)計(jì)的滾動軸承資源庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)者之間的資源共享，資源庫中的數(shù)字資源可以由不同的開發(fā)者和數(shù)據(jù)庫管理員不斷進(jìn)行擴(kuò)展，并可擴(kuò)展用于其他標(biāo)準(zhǔn)件及非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)。本文構(gòu)建的滾動軸承資源庫，存儲了軸承設(shè)計(jì)中使用到的標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)通用參數(shù)數(shù)據(jù)，同時提供面向開發(fā)者的滾動軸承資源庫查詢和調(diào)用技術(shù)，解決了軸承設(shè)計(jì)程序的開發(fā)者需反復(fù)輸入通用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的問題，提高了軸承設(shè)計(jì)計(jì)算程序的開發(fā)效率，為滾動軸承的設(shè)計(jì)提供了新思路，推動滾動軸承的自動化和智能化設(shè)計(jì)。

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